JP2015220981A - 電気機械、電気機械用コイル組立体、及び前記コイル組立体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電気機械、電気機械用コイル組立体、及び前記コイル組立体の製造方法を提供する。【解決手段】 非導電性材料でできている巻型（１２）を含み、且つ巻型（１２）によって保持された、導電性材料でできているコイル（１３）を含む電気機械用コイル組立体（１１）であって、巻型（１２）がセラミック材料で作製され、コイル（１３）がコイル成形物の形態である、コイル組立体。【選択図】 図１

Description

本発明は、電気機械に関する。本発明はさらに、電気機械用コイル組立体、及び前記コイル組立体の製造方法に関する。

例えば電気自動車又はハイブリッド車で駆動装置として使用されるような電気機械は、ロータとステータとを備える。少なくとも１つのロータ端部磁石がロータに対応し、且つ少なくとも１つのステータ端部コイル組立体がステータに対応する。電気機械のコイル組立体は、非導電性材料でできている巻型を有し、また、巻型によって保持された、導電性材料でできているコイルも有する。巻型は、典型的にはプラスチックで作製される。コイルは典型的には金属材料で作製される。実用上知られている電気機械用コイル組立体では、金属ワイヤをコイルの巻線が形成されるようにプラスチック巻型の周りに巻き付けることにより、コイルが巻型に取り付けられる。

電気機械による許容パワースループットは、ステータ端部コイル組立体の耐熱負荷能力によって制限される。損失熱を効果的に放散させることができる場合、コイル組立体による、ひいては電気機械によるパワースループットを確実に高めることができ、従って設置スペースを一定としたときの機械パワーが確実に高まり得る。

（特許文献１）は、少なくとも１つのステータ端部コイル組立体がステータに対応する、ロータとステータとを含む電気機械の基本構造を開示している。

（特許文献２）は、ナノ粒子を含む充填材を有する封入用コンパウンドを使用してコイルの巻きを封入することを開示している。

（特許文献３）は、コイルをセラミック材料に埋設することを開示している。

独国特許出願公開第１０ ２０１１ ００３ ４００ Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０ ２０１０ ０２２ ５２３ Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２０１１／０１２１９３０ Ａ１号明細書

本発明の目的は、新規の電気機械用コイル組立体、このコイル組立体の製造方法、及びこの種のコイル組立体を少なくとも１つ含む電気機械を提供することである。

上記目的は、請求項１に記載のコイル組立体によって達成される。

本発明によれば、巻型はセラミック材料で作製され、コイルはコイル成形物の形態である。

本発明は、電気機械用コイル組立体において、セラミック材料でできている巻型を、成形によって作製されるコイルと組み合わせて使用することを初めて提案する。セラミック材料でできている巻型を使用することにより、それぞれのコイル組立体のコイルから電気機械のステータ端部支持体への熱伝達（それぞれのコイル組立体は前記ステータ端部支持体に結合されている）を、改善することができる。

従って、セラミック材料は高度の熱伝導率を有し、そのためそれぞれのコイル組立体のコイルから熱が効果的に放散し得る。セラミック材料でできている巻型のさらなる利点は、セラミック材料が極めて良好な電気絶縁性を有するため、電気的フラッシュオーバーを防止し得ることである。

使用されるコイルがコイル成形物である、即ち成形によって作製されたコイルである結果、コイル材料と巻型の熱的結合が向上し得る。これにより、コイルからの熱の放散が良好になり得る。

さらに、成形によって作製されたコイルを使用することにより、電気機械のいわゆるスロット充填因子（slot filling factor）が増加するため、電気機械のパワー収率及び効率度が向上し得る。

従って、セラミック材料でできている巻型を、成形によって作製されたコイルと組み合わせると、この種のコイル組立体を有する電気機械の達成可能なパワー収率、ひいては効率度が増加する。

一発展形態によれば、コイルは巻型上に成形されるか、又は巻型の中に成形される。本発明のこの発展形態は、特に有利である。コイルが、セラミック材料でできている巻型上に成形されるか、又はセラミック材料でできている巻型の中に成形される場合、成形によって作製されるコイルを離型させる必要がない。

巻型は、コイルの成形用モールドの少なくとも一部を形成する。従って巻型は、コイルを保持する働きをするのみならず、さらにはモールドとして働く。従って、この有利な発展形態によれば、巻型が、成形によって作製されるコイルのモールドとして使用される。これにより、本発明に係るコイル組立体の特に有利な製造が可能となる。

一発展形態によれば、巻型は一体型設計である。代替形態として、巻型は多部品型設計であり、具体的には本体と、成形コイルの巻きの仕切り要素を形成する複数のウェブとを含む設計である。

巻型が多部品型設計である変形形態は、特に有利である。この場合、セラミック材料でできている巻線用仕切り要素を特に薄くなるように作製し、次いで前記仕切り要素を巻型の本体のスロットに挿入することが可能である（この本体も同様にセラミック材料で作製される）。従って、本体とウェブとが一緒になって巻型を形成する。この巻型は、コイルを成形するために必要なモールドの内側シェルとなる。ウェブは、成形前は外側シェルを用いて本体のスロットに固定される。コイルが成形され、外側シェルが取り外されると、モールド上で又はモールド内で成形されたコイルによって本体及びウェブが一体に保持される。コイルは内側シェルから離型されない。代わりに、モールドの内側シェルを形成する巻型が、電気機械で使用されるコイル組立体の一体化した構成要素となる。

コイル組立体の製造方法が請求項７に定義され、電気機械が請求項１２に定義される。

本発明の好ましい発展形態は、従属請求項及び以下の説明から分かる。本発明の例示的実施形態が図面を参照してさらに詳細に説明されるが、但しそれらに限定されるものではない。

本発明に係るコイル組立体の領域における本発明に係る電気機械の概略詳細図を示す。

本発明は、電気機械用コイル組立体、この種のコイル組立体の製造方法、及びまたこの種のコイル組立体を含む電気機械に関する。

本発明は、特に好ましくは、ハイブリッド車又は電気自動車において駆動パワーを提供する電気機械で使用される。

本発明に係る電気機械は、詳細には、永久磁石励磁又は外部励磁を伴う同期機、又はその他の、鉄心に配置された導電性コイルによる磁界発生を伴う同期機である。

本発明は、特に好ましくはこの種の電気機械で使用されるが、他の電気機械で本発明を使用することもまた可能である。

図１は、ステータ端部支持体１０及びステータ端部支持体１０に配置されるコイル組立体１１の領域における、電気機械（永久磁石励磁を伴う同期機の形態である）の極めて概略的な詳細図を示す。

同期機のステータ端部支持体１０は、鉄材料でできている支持体であり、典型的には鉄心とも称される。図１に示される組立体、特にステータ端部支持体１０及びコイル組立体１１は全て、ロータ端部組立体、詳細にはロータ端部磁石（図示せず）と相互作用する電気同期機のステータ端部組立体である。

本発明に係るコイル組立体１１は、非導電性材料でできている巻型１２を有し、また、巻型１２によって保持された、導電性材料でできているコイル１３も有する。

本発明によれば、コイル組立体１１の巻型１２は、セラミック材料、好ましくは焼結セラミック材料、例えば酸化アルミニウムセラミック材料又は窒化アルミニウムセラミック材料又は窒化ケイ素セラミック材料で作製される。コイル１３は、金属材料、詳細にはアルミニウム合金又は銅合金で作製される。ここで、本発明によれば、コイル１３はコイル成形物の形態であり、即ち成形工程により作製される。

コイル成形物の形態の金属コイル１３を、セラミック材料でできている巻型１２と組み合わせるこの併用により、コイル組立体１１又は少なくとも１つのこの種のコイル組立体１１を有する電気機械に、特に高いパワー収率、ひいては特に高い効率度がもたらされ得る。

従って、コイル成形物の形態の金属コイル１３と、セラミック材料でできている巻型１２とを組み合わせることで、コイル組立体１１のコイル１３からの最適な熱除去が、電気機械のステータ端部支持体１０の方向において可能となる。

成形によって作製されたコイル１３は、巻型１２の材料と最適な方法で熱的に結合する。巻型１２のセラミック材料は高度な熱伝導率を有し、従ってコイル１３の領域で発生する熱を最適な方法で放散させることができる。

コイル１３は、好ましくは巻型１２の上に、又はその中に成形される。従って、本発明のこの有利な発展形態によれば、セラミック材料でできている巻型１２を、コイル１３を成形によって作製するために必要なモールドの少なくとも一部として使用するようになっている。従って、この有利な発展形態によれば、コイル１３は、セラミック材料でできている巻型１２の中に成形されるか、又は前記巻型の上に成形され、そのためコイル１３を巻型１２から離型させる必要がない。巻型１２がモールドとして働くというより、むしろコイル１３を成形するために必要なモールドの少なくとも一部が、それぞれのコイル組立体１１の一体化した構成要素を形成する。

本発明の第１の変形形態によれば、セラミック材料でできている一体型の巻型１２を使用することが可能である。

それぞれのコイル組立体１１の巻型１２は多部品型設計であり、具体的には本体１４と複数のウェブ１５とを含む設計である、本発明の一変形形態が好ましい。

コイル１３の巻き１８用の電気絶縁仕切り要素を形成するウェブ１５は、別個の組立体としてセラミック材料で作製され、好ましくは巻型１２の本体１４にあるスロットに挿入される（この本体も同様にセラミック材料で別個に作製される）。結果として、成形コイル１３の巻きの間に特に薄い仕切り要素を形成することが可能となる。本体１４のスロットにウェブ１５が挿入された本体１４は、成形によって作製されるコイル１３のモールドの内側部分を形成する。モールドの内側部分は、外側がモールドの外側部分によって半径方向に取り囲まれる。

巻型１２の本体１４のウェブ１５は、コイル１３の成形前はモールドの外側部分を用いて保持される。コイル１３を成形するため、上記モールドにコイル１３の金属材料が充填される。ここでモールドの外側部分は材料の硬化後に取り外され、成形によって作製されたコイル１３がウェブ１５を巻型１２の本体１４に結合する。モールドの内側部分を形成する本体１４及びウェブ１５は、巻型１２として、上記のように作製されるコイル組立体１１の一体化した構成要素である。モールドの内側部分からコイル１３を離型させずに済む。代わりに、上記のように作製された、巻型１２とコイル１３とを含むコイル組立体１１が、巻型１２によりステータ端部支持体１０に取り付けられる。

好ましくは、コイル組立体１１の巻型１２が凹部１６を有し、そこにステータ端部支持体１０の突起１７が差し込まれるような方法で、コイル組立体１１がステータ端部支持体１０に取り付けられる。

従ってコイル組立体１１はステータ端部支持体１０に嵌着されるか、又は前記ステータ端部支持体に据え付けられる。ここではステータ端部支持体１０の突起１７が巻型１２の凹部１６に係合する。上記方法では、それぞれのコイル組立体１１がステータ端部支持体１０のそれぞれの突起１７を外側で円周方向に取り囲む。

従って、本発明に係るコイル組立体１１を作製するため、一体型又は多部品型の巻型１２、特にセラミック材料、好ましくは酸化アルミニウム又は窒化アルミニウム又は窒化ケイ素を含む焼結セラミック材料でできている巻型１２が、初めに設けられる。

上記巻型１２はモールドの少なくとも一部として使用される。ここでは金属材料でできているコイル１３が巻型１２の上に成形されるか、又は前記巻型の中に成形される。既述のとおり、上記方法において巻型１２はモールドの少なくとも一部、詳細には複数割りモールドの内側シェル又は内側部分を形成する。モールドの外側シェル又は外側部分はコイル組立体１１の成形後に取り外され、再び使用され得る。

従って本発明は、電気機械のコイル組立体１１の場合におけるセラミック材料でできている巻型１２の使用を包含する。金属材料でできているコイル１３はコイル成形物の形態であり、ここでは巻型１２が、コイル１３の成形用モールドの構成要素となる。これによりコイル１３の金属材料と巻型１２のセラミック材料との最適な結合が確実となり、その結果、コイル１３の領域で発生する熱を運転中に最適な方法で放散させることができる。

これにより、それぞれのコイル組立体１１による、ひいては最終的に電気機械による高い電気パワースループットを確実にすることができる。その結果、電気機械の高い効率度を実現することができる。

さらに、コイル１３の個々の巻き１８を、巻型１２のセラミック材料によって最適な方法で互いに電気的に絶縁することができる。

１０ ステータ端部支持体
１１ コイル組立体
１２ 巻型
１３ コイル
１４ 本体
１５ ウェブ
１６ 凹部
１７ 突起
１８ 巻き

Claims (15)

1. 非導電性材料でできている巻型（１２）を含み、且つ前記巻型（１２）によって保持された、導電性材料、詳細には金属材料でできているコイル（１３）を含む、電気機械用コイル組立体（１１）において、前記巻型（１２）がセラミック材料で作製されることと、前記コイル（１３）がコイル成形物の形態であることとを特徴とする、コイル組立体。
2. 前記コイル（１３）が前記巻型（１２）の上に成形されるか、又は前記巻型（１２）の中に成形されることを特徴とする、請求項１に記載のコイル組立体。
3. 前記巻型（１２）が、焼結セラミック材料、詳細には酸化アルミニウムセラミック材料又は窒化アルミニウムセラミック材料又は窒化ケイ素セラミック材料で作製されることを特徴とする、請求項１又は２に記載のコイル組立体。
4. 前記コイル（１３）がアルミニウム材料又は銅材料で作製されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のコイル組立体。
5. 前記巻型（１２）が多部品型設計であり、具体的には本体（１４）と、前記本体に挿入された、前記コイル（１３）の巻き（１８）の仕切り要素を形成する複数のウェブ（１５）とを含む設計であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のコイル組立体。
6. 前記巻型（１２）が一体型設計であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のコイル組立体。
7. セラミック材料でできている巻型（１２）を設けるステップと、
   前記コイル（１３）を金属材料から成形するステップと
   を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の電気機械用コイル組立体（１１）の製造方法。
8. 前記巻型（１２）がモールドとして又はモールドの一部として使用されることと、前記コイル（１３）が前記巻型（１２）の上又はその中に成形されることとを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 前記巻型（１２）が、外側シェルと共に複数割りモールドを形成する前記モールドの内側シェルとして使用され、前記モールドの前記内側シェルが、前記コイル（１３）の成形後、巻型（１２）として前記コイル組立体（１１）の構成要素のまま残り、前記外側シェルが成形後に前記コイル組立体（１１）から分離されることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 一体型の巻型（１２）が設けられることを特徴とする、請求項７〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 請求項５に記載の多部品型の巻型（１２）が設けられることを特徴とする、請求項７〜９のいずれか一項に記載の方法。
12. 少なくとも１つのステータ端部コイル組立体（１１）と少なくとも１つのロータ端部磁石とを含む電気機械において、前記コイル組立体（１１）又は各コイル組立体（１１）が、請求項１〜６のいずれか一項に記載のとおり設計されることを特徴とする、電気機械。
13. 前記それぞれのコイル組立体（１１）が前記それぞれの巻型（１２）の凹部（１６）によってステータ端部支持体（１０）の突起（１７）に据え付けられるような方法で、前記コイル組立体（１１）又は各コイル組立体（１１）を前記ステータ端部支持体（１０）に連結することを特徴とする、請求項１２に記載の電気機械。
14. 前記ステータ端部支持体（１０）の前記それぞれの突起（１７）が前記巻型（１２）の前記それぞれの凹部（１６）の中に突出し、それにより前記それぞれのコイル組立体（１１）が前記ステータ端部支持体（１０）の前記それぞれの突起（１７）を円周方向に取り囲むことを特徴とする、請求項１３に記載の電気機械。
15. 前記ステータ端部支持体（１０）の少なくとも前記それぞれの突起（１７）が鉄材料で作製されることを特徴とする、請求項１４に記載の電気機械。

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